馮鈿芳，張 鋒，王曉磊，洪將領(lǐng)，楊曉麗

(中國石油新疆油田公司采氣一廠)

冷凍暫堵技術(shù)[1-2]是引進(jìn)國外公司的新工藝技術(shù)，它可進(jìn)行套管環(huán)空和油管暫時(shí)封堵，無需壓井即可隔絕井內(nèi)壓力，達(dá)到換裝井口裝置和主控閥門的目的，相較于機(jī)械式帶壓換閥技術(shù)[3]，具有適應(yīng)性更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前該工藝每年應(yīng)用達(dá)100余口井，效果顯著，但作為引進(jìn)技術(shù)，國內(nèi)均采取國外推薦的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。不同的井況，設(shè)計(jì)的參數(shù)應(yīng)當(dāng)有所區(qū)別，否則一方面無法確定安全系數(shù)，另一方面造成不必要的成本。因此，有必要對(duì)該工藝技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究?jī)?yōu)化探討，對(duì)指導(dǎo)該工藝在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用和推廣有重要的意義。

一、冷凍暫堵技術(shù)原理

一定體積濃度的暫堵劑在泵入井筒后，經(jīng)過低溫冷凍膨脹與油管壁發(fā)生凍黏效應(yīng)，形成凍塞，控制井內(nèi)壓力，達(dá)到封堵井筒的目的。暫堵劑與油管冷凍后，凍黏強(qiáng)度反應(yīng)了暫堵劑的暫堵強(qiáng)度，暫堵劑主要受到油管內(nèi)壓力p的作用，暫堵強(qiáng)度表現(xiàn)為一個(gè)切向平行于界面的切向力Fτ，相應(yīng)有切向凍黏系數(shù)τ[4]。則切向應(yīng)力[4]:

Fτ=τ·Sice

(1)

式中:Fτ—切向應(yīng)力，Pa；Sice—黏附面積，cm2；τ—凍黏系數(shù)，kg/cm3。

二、冷凍暫堵劑材料及體積配比濃度優(yōu)化

1. 暫堵材料的選擇優(yōu)化

暫堵劑選擇主要有三個(gè)方面要求：①黏滯性，在井筒中不發(fā)生剪切流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)井筒封閉；②吸水性，保證能夠產(chǎn)生凍黏效應(yīng)，承受封閉井內(nèi)的壓力；③流變性，實(shí)現(xiàn)泵送。

經(jīng)調(diào)研，黏土礦物與水混合形成的漿體最為符合暫堵劑性能要求。實(shí)驗(yàn)研究相同體積濃度的漿體，屈服應(yīng)力影響的大小為蒙脫石>伊利石>綠泥石>高嶺土，因此選擇蒙脫石為暫堵劑的主要材料。

2. 暫堵材料濃度配比分析

泵入過程中，因暫堵劑未全封井筒，暫堵劑上下壓力近似相等，則暫堵劑要滿足在重力的作用下不發(fā)生流動(dòng)，才可實(shí)現(xiàn)封閉井筒的目的，即G

T=30SC2e22CP

(2)

式中：G—暫堵劑的最大自重應(yīng)力，Pa；T—膨潤(rùn)土漿體的屈服應(yīng)力，Pa；C—體積濃度，%；S—系數(shù)，當(dāng)C>0.55時(shí)，S=e30(C-0.55)；C≤0.55時(shí)，P<20%，S=2.0；P≥20%，S=4.0。

根據(jù)式(2)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，現(xiàn)場(chǎng)使用膨潤(rùn)土中蒙脫石含量大于95%，取P=95%。則可得出暫堵劑屈服應(yīng)力與暫堵劑受到最大自重應(yīng)力的曲線對(duì)比圖，如圖1所示。

從圖1中可以看出，暫堵劑濃度達(dá)到40%以上后，隨著濃度繼續(xù)增加，其屈服應(yīng)力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于暫堵劑所受到最大的自重應(yīng)力，因此不會(huì)在油管中發(fā)生剪切流動(dòng)，確定膨潤(rùn)土漿的最低濃度為40%。因此在平常實(shí)施過程中，若是試壓不合格，可能為體積濃度過低，部分暫堵劑流動(dòng)至井底，沒有實(shí)現(xiàn)井筒封閉，可適當(dāng)增加暫堵劑體積濃度，保證其暫堵效果。

圖1 屈服應(yīng)力與自重應(yīng)力對(duì)比曲線

三、冷凍溫度及冷凍時(shí)間優(yōu)化

1.冷凍溫度優(yōu)化分析

1.1 冷凍溫度與暫堵強(qiáng)度關(guān)系

冷凍的溫度直接影響凍黏系數(shù)的大小，進(jìn)而影響暫堵強(qiáng)度。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在溫度降低到0℃以下的過程中水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，在這一過程中隨著溫度的降低，凍黏系數(shù)逐漸增加并在達(dá)到一定的值后基本保持不變，如圖2。

從圖2中可以看出，當(dāng)溫度下降到-20℃后，界面趨于穩(wěn)定，繼續(xù)降溫，凍黏系數(shù)幾乎不變，暫堵強(qiáng)度也不再增加，因此確定冷凍溫度需低于-20℃。

圖2 溫度與凍粘系數(shù)的關(guān)系曲線

1.2 冷凍劑優(yōu)選

從溫度對(duì)凍黏強(qiáng)度的影響可以發(fā)現(xiàn)，一般材料在溫度到了-20℃，繼續(xù)進(jìn)行降溫，凍黏系數(shù)不會(huì)增加，即暫堵強(qiáng)度也不會(huì)增加。因此選擇的冷凍劑只要能夠制造小于-20℃的溫度場(chǎng)即可。目前常用的冷凍劑主要有干冰、液氮、液氨等。

冰無法滿足溫度要求；液氮制造溫度較低，且容易造成窒息，現(xiàn)場(chǎng)氣化過程中不容易控制；液氨有腐蝕性、毒性，現(xiàn)場(chǎng)操作困難，因此選干冰作為冷凍劑。

2.冷凍時(shí)間優(yōu)化分析

2.1 冷凍時(shí)間與暫堵強(qiáng)度關(guān)系

在特定溫度下凍黏系統(tǒng)的平衡依賴于凍結(jié)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)表明，在系統(tǒng)未進(jìn)入熱量平衡之前，凍結(jié)時(shí)間與凍結(jié)強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入熱平衡之后，凍結(jié)時(shí)間基本不影響凍結(jié)效果，如圖3所示。從圖3可以看出，材料的凍黏界面形成都在3 h內(nèi)達(dá)到平衡，3 h后凍黏系數(shù)沒有太大的變化，因此長(zhǎng)時(shí)間的冷凍對(duì)于凍黏強(qiáng)度沒有較大的提升，冷凍時(shí)間在到達(dá)冷凍溫度的基礎(chǔ)上3 h即可以達(dá)到冷凍效果。

圖3 凍結(jié)時(shí)間與凍黏系數(shù)關(guān)系曲線

2.2 冷凍時(shí)間優(yōu)化分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，冷凍時(shí)從表層套管向油管逐步冷凍，假設(shè)在干冰冷凍作用下，油套結(jié)構(gòu)由室溫25℃降至-78℃所需的時(shí)間，假定干冰作為恒溫源，溫度保持-78℃不變。各層套管及油管形成的同心圓柱兩端不傳熱。通過瞬態(tài)熱分析，在?339 mm外層套管、?177.8 mm油層套管、?73 mm油管的管柱結(jié)構(gòu)中注暫堵劑，干冰冷凍3.5 h后，油套環(huán)空的最高溫度降至-23℃。根據(jù)前面的凍黏強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，溫度的繼續(xù)降低并不會(huì)增加凍黏強(qiáng)度，在溫度降至-23℃后，繼續(xù)冷凍3 h后，可完成冷凍的過程，確定整個(gè)冷凍完成時(shí)間為6.5 h。

四、暫堵劑用量?jī)?yōu)化分析

暫堵劑用量直接代表著暫堵劑與油管接觸的面積，暫堵劑的凍黏強(qiáng)度需大于井內(nèi)作用在暫堵劑上的壓力，根據(jù)暫堵強(qiáng)度計(jì)算公式(1)，可以確定不同壓力下所需要的暫堵劑長(zhǎng)度，如式(3)所示。

Fz=τ·Sice·g≥FP=p·STub

(3)

式中:Fz—凍黏強(qiáng)度，N；FP—作用在暫堵劑上的上頂力，N；p—油壓，MPa；STub—油管內(nèi)截面積，m3。

根據(jù)氣井情況，可以確定不同油管尺寸下，井口壓力所需泵注的暫堵劑長(zhǎng)度，如圖4所示。在保證相同冷凍溫度和時(shí)間的基礎(chǔ)上，從曲線可以看出暫堵劑越長(zhǎng)，與油管接觸面積越大，形成的暫堵強(qiáng)度越大，可以有效提高暫堵壓力，保證暫堵效果。

圖4 井口壓力與暫堵劑長(zhǎng)度關(guān)系曲線

表1 施工井情況

五、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)優(yōu)化分析結(jié)論，在DX180X、DX170X兩口氣井實(shí)施冷凍暫堵工藝，均獲得成功，情況如表1所示。

DX180X井1#閥門開關(guān)不動(dòng)作，無法開井；DX170X井2015年7月發(fā)現(xiàn)BT密封注脂閥泄露，存在井口失控的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)問題，選擇冷凍暫堵井口帶壓作業(yè)技術(shù)，為了保證施工安全，將漿體濃度、暫堵劑使用量、冷凍時(shí)間均進(jìn)行優(yōu)化提高，其中暫堵劑按60%進(jìn)行配比，暫堵劑長(zhǎng)度1 m，可控制50 MPa井口壓力，均備用800 kg干冰，成功完成施工。解決井口問題，消除了安全隱患。

六、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)通過對(duì)不同黏土礦物特性、體積濃度對(duì)暫堵劑屈服應(yīng)力的影響分析，優(yōu)化了冷凍暫堵劑材料及體積配比濃度優(yōu)化，確定了膨潤(rùn)土漿的最佳體積濃度。

(2)通過冷凍時(shí)間、冷凍溫度和暫堵劑用量等因素對(duì)暫堵強(qiáng)度影響研究評(píng)價(jià)，優(yōu)化了冷凍溫度、冷凍時(shí)間和冷凍暫堵劑的用量等現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)。

(3)根據(jù)研究結(jié)論，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，達(dá)到安全施工的目的，為氣井正常安全生產(chǎn)提供了重要保障。